Патент на изобретение №2244320

(54) СЦИНТИЛЛЯТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ

(57) Реферат:

Использование: для радиоэкологического мониторинга территорий и акваторий, создания комплексов технического контроля за первичным ядерным топливом и за изделиями из делящихся материалов. Сущность: сцинтиллятор включает фторид кальция, активированный европием, и изотоп гелия ³Не при следующем соотношении ингредиентов, ат.%: фторид кальция – 99,25-99,59; фторид европия – 0,4-0,7; изотоп гелия ³Не – 0,01-0,05. Технический результат – повышение эффективности регистрации тепловых нейтронов.

Изобретение относится к неорганическим сцинтилляционным материалам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе радиационных детекторов для радиоэкологического мониторинга территорий и акваторий, контроля космического и техногенного нейтронного фона, для создания комплексов технического контроля за первичным ядерным топливом и за изделиями из делящихся материалов.

Для обнаружения и измерения плотности потока тепловых нейтронов сцинтилляционным методом необходимы сцинтилляционные материалы (вещества, в которых под действием тепловых нейтронов возникают световые вспышки – сцинтилляции), основными свойствами которых (веществ в целом или отдельных компонентов их состава) являются: повышенное сечение (вероятность) взаимодействия с тепловыми нейтронами; оптимальная длина волны излучения сцинтилляционной вспышки, согласующаяся со спектральной чувствительностью фотоприемника; высокий световыход сцинтилляций; небольшое, укладывающееся в нано-, микросекундный диапазон время высвечивания; а также достаточно широкий диапазон рабочих температур.

Известен неорганический сцинтиллятор на основе кристалла ⁶LiKSО₄-Cu (патент РФ 2148837), пригодный для регистрации тепловых нейтронов. Он обладает сцинтилляциями с длиной волны 435-445 нм и длительностью 90 нс. Однако он нетехнологичен, поскольку проблема получения крупных однородных кристаллов ⁶LiKSO₄ не решена, обладает невысоким световыходом сцинтилляций (30% относительно световыхода кристаллов LiI-Eu) и, главное, недостаточно высоким сечением взаимодействия с тепловыми нейтронами, равным 940 барн, по реакции ⁶Li(n, )³H. Таким образом, сцинтиллятор ⁶LiKSO₄-Cu обладает невысокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов. Все известные сцинтилляторы, в которых тепловые нейтроны регистрируются по реакции ⁶Li(n, )³H, обладают недостаточно высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов, не превышающей 910 барн (Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. М.: Изд-во МГУ, 1963; Групен К. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. 408 с.).

Известен комбинированный сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов на основе кристалла NaI-Tl с чехлом-радиатором из борсодержащего материала, окружающего кристалл NaI-Tl (патент РФ 2189057). Толщина радиаторов, изготовленных из карбида или нитрида бора, достаточна для полного поглощения тепловых нейтронов ядрами ¹⁰В. Сечение захвата тепловых нейтронов естественной смесью изотопов бора составляет 767 барн, а для чистого изотопа ¹⁰В – 3837 барн. Механизм регистрации нейтронов сводится к следующему. Вначале происходит захват тепловых нейтронов ядрами ¹⁰В, что вызывает ядерную реакцию (n, )-типа, которая протекает в две стадии:

– первая стадия:

– вторая стадия (через ~10-13 с после первой):

– квант с энергией 0,482 МэВ.

На первой стадии часть ядер лития образуется в возбужденном состоянии ⁷Li*, они обеспечивают протекание второй стадии реакции с испусканием -кванта с энергией 0,482 МэВ. Этот -квант, возникший вследствие реакции (n,

Известна сцинтилляционная композиция из кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂, пластика или стильбена (патент РФ 2158011) для регистрации нейтронов и -излучения. Однако такая сцинтилляционная композиция нечувствительна к тепловым нейтронам.

Известен сцинтиллятор для регистрации нейтронов на основе кристалла NaI-Tl с чехлом-радиатором из серебра (Прайс В. Регистрация ядерного излучения, М.: ИИЛ, 1964. 464 с.). Серебро эффективно поглощает нейтроны резонансных энергий и испускает -кванты по реакции (n, ). Последние и регистрируются кристаллом NaI-Tl. Резонансные реакции (n, ) на естественной смеси изотопов серебра имеют сечение взаимодействия 86,3 барн для медленных и промежуточных нейтронов и 63,3 барн для тепловых нейтронов. Однако стоимость такого детектора высока из-за высоких цен на серебро. Применение изотопа ¹⁰⁹Ag, обладающего достаточно интенсивным поглощением тепловых нейтронов (сечение – 91 барн), для работы в сочетании с NaI-Tl нецелесообразно из-за малого периода его полураспада, равного всего 24,6 суткам.

Известен однокристальный сцинтиллятор (патент США №4482808) для регистрации нейтронов и -лучей. Однако сцинтиллятор пригоден для регистрации быстрых нейтронов и непригоден для регистрации тепловых нейтронов.

Известна сцинтилляционная композиция из трех параллельно-последовательно соединенных сцинтилляторов (патент РФ 2143711), один из которых, выполненный на основе ⁶Li-силикатного стекла, чувствителен к тепловым нейтронам. Однако эффективность регистрации тепловых нейтронов таким сцинтиллятором, определяемая соответствующим сечением реакции ⁶Li(n, )³H (сечение равно 940 барн), невысокая.

Наиболее близким техническим решением являются сцинтилляторы на основе CaF₂-Eu. Они могут изготовляться на основе керамики, например, CaF₂-Eu с содержанием европия не больше 0,5 мол.% (патент РФ 2058957). Сцинтиллятор пригоден для детектирования ионизирующих излучений, преимущественно электронов, -частиц и -квантов с энергией до 100 кэВ. Применение поликристаллической керамики CaF₂-Eu для регистрации нейтронов в патенте РФ 2058957 не описано.

Сцинтилляторы на основе CaF₂₂-Eu (плотность – 3,19 г/см³; температура плавления – 1407° С; коэффициент преломления света – 1,44; твердость по Моосу – 4; Z_эфф=16,5) относятся к классу перспективных сцинтилляционных материалов для регистрации, дозиметрии и спектрометрии рентгеновского и -излучения на фоне -излучения и нейтронов. Они обладают абсолютным энергетическим выходом сцинтилляций 8,4% или 29,103 фотон/МэВ (что составляет ~50% эффективности относительно NaI-Tl), длиной волны 435 нм, длительностью -сцинтилляций 800 не и энергетическим разрешением по линии ¹³⁷Cs 9-10,5%, а по линии ²⁴¹Аm 26-30%. Оптимальная концентрация примесей в кристаллах CaF₂₂-Eu световыход сцинтилляций практически стабилен в диапазоне температур от -60° С до +20° С; температурный коэффициент спада световыхода сцинтилляций при Т>20° С равен 0,4-0,5%/° С; послесвечение, измеренное с задержкой 1 мс, составляет 0,6· 10^-6%, через 30 мс его величина становится меньше, чем 10^-9%, эффективный коэффициент поглощения на длине волны излучения (435 нм) составляет 0,3±0,05 см^-1. Однако кристалл-сцинтиллятор СаF₂-Еu, обладающий весьма высокими показателями по световыходу сцинтилляций, пригоден лишь для регистрации -излучения и -излучения. Применение кристаллов СаF₂-Еu в качестве сцинтиллятора для регистрации тепловых нейтронов в вышеприведенных источниках не описано.

Задачей изобретения является получение на основе кристаллов CaF₂-Eu сцинтилляторов для регистрации нейтронов с повышенным сечением захвата тепловых нейтронов, т.е. с более высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов. Поставленная задача решается благодаря тому, что в известный сцинтиллятор, включающий фторид кальция, активированный европием, дополнительно вводят изотоп гелия ³Hе методом термодиффузии. В итоге получают кристалл-сцинтиллятор CaF₂-(Eu, ³He). Эффект изобретения проявляется в том, что при дополнительном введении изотопа ³Hе эффективность регистрации тепловых нейтронов кристаллами CaF₂-(Eu, ³He) возрастает почти в два раза по сравнению с CaF₂-Eu. Возрастает в связи с тем, что захват последних в кристаллах CaF₂-(Eu, ³He) происходит по двум каналам:

– по реакции (n, ) на ядрах Еu с сечением взаимодействия 4600 барн для естественной смеси изотопов европия;

– по реакции (n, ) на ядрах ³Hе с сечением взаимодействия 4000 барн (Машкович В.П., Кудрявцева Л.В. Защита от ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1995. 494 с.). Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый сцинтиллятор имеет состав, ат.%:

CaF₂ – 99,25-99,59;

ЕuF₃ – 0,4-0,7;

³Hе – 0,01-0,05.

Уменьшение содержания активатора европия до уровня ниже 0,4 ат.% или его увеличение более 0,7 ат.% ведет к уменьшению световыхода сцинтилляций. Световыход снижается с 0,5 до 0,2-0,3 и ниже относительно NaI-Tl. Уменьшение содержания изотопов ³Hе ниже 0,01 ат.% (~1019 ат/см³) ведет к снижению эффективности регистрации тепловых нейтронов ядрами гелия из-за уменьшения их количества. Увеличение содержания изотопов гелия в кристаллах CaF₂-(Eu, ³He) выше 0,05 ат.% методом термодиффузии в принципе возможно, однако требует большого времени и технически труднодостижимо.

Пример 1

Сцинтиллятор состава СаF₂ – 99,25 ат.%, ЕuF₃ – 0,7 ат.% и ³Hе – 0,05 ат.% получают в две стадии. На первой стадии выращивают кристаллы CaF₂-Eu в виде були диаметром до 45 мм и длиной 80 мм в графитовых тиглях методом Стокбаргера в вакууме. Для удаления следов кислорода в шихту добавляют фторид свинца в количестве 1 мас.%. Из центральных частей выращенной були вырезают кристалл диаметром 40 мм и высотой 6 мм. На второй стадии подготовленный кристалл ( =40 мм, h=6 мм) помещают в специальную барокамеру, в которой в него вводят изотоп ³₂ от давления насыщения. Режим термодиффузии был выбран таким, чтобы содержание гелия ³Hе в кристалле СаF₂-Еu было доведено до 0,05 ат.%. Полученные кристаллы CaF₂-(Eu, ³He) обладали следующими свойствами: эффективность регистрации тепловых нейтронов – 95%; эффективный атомный номер – Z_эфф=16,5; относительная сцинтилляционная эффективность в сравнении с NaI-Tl (по -линии 662 кэВ изотопа ¹³⁷Cs) – 52%; спектр свечения имеет максимум при 435 нм, длительность сцинтилляций – 780 не, причем форма кривой затухания сцинтилляций описывается одной экспонентой; энергетическое разрешение по линии ¹³⁷Cs – 12%. Влияние температуры на спектр свечения монокристаллов CaF₂-(Eu, ³He) незначительно: в диапазоне от -50 до +50° С положение максимума полосы излучения сдвигается не более чем на 5 нм, полуширина увеличивается с ростом температуры от 25 до 30 нм соответственно, длительность нейтронных сцинтилляций (использовали ²⁵²Cа с замедлителем), также как и -сцинтилляций, составляла 780 нс. Срок службы t_службы сцинтилляционных кристаллов CaF₂-(Eu, ³He) определяется временем релаксации t_peл, в течение которого содержание гелия в кристаллах убывает в е (экспонента) раз за счет процессов диффузии. Для кристаллов CaF₂-(Eu, ³He) при 300 К коэффициент междоузельной диффузии 10^-8-10^-9 см²/с. Время релаксации оценивалось по формуле

где r – радиус сцинтилляционного кристалла.

Для r=2 см получаем, что t_службы=t_peл 1,3· 10⁹-1,3· 10¹⁰ с, т.е. от 40 до 400 лет. Таким образом, оценка даже по нижнему пределу дает срок службы сцинтилляционных кристаллов ~40 лет, а средний срок службы не менее 100 лет.

Пример 2

Сцинтиллятор состава СаF₂ – 99,59 ат.%, ЕuF₃ – 0,4 ат.% и ³Hе – 0,01 ат.%. Выращивание монокристаллов СаF₂-Еu с последующим введением в них изотопа ³Не методом термодиффузии и работает в тех же режимах, что были описаны в примере 1. Размеры кристалла: =40 мм, h=6 мм. Сцинтиллятор обладает следующими свойствами: эффективность регистрации тепловых нейтронов ~90%; эффективный атомный номер – Z_эфф=16,5; относительная сцинтилляционная эффективность в сравнении с NaI-Tl (по -линии 662 кэВ изотопа ¹³⁷Cs) ~ 45%; максимум спектра свечения – 435 нм; длительность сцинтилляций – 800 нc; энергетическое разрешение по линии 662 кэВ изотопа ¹³⁷Cs – 11%. Рабочий диапазон температур от -50 до +50° С. Средний срок службы 100 лет.

Пример 3

Сцинтиллятор состава СаF₂ – 99,4 ат.%, ЕuF₃ – 0,58%, ³Hе – 0,02 ат.% получают также в две стадии: выращивание монокристаллов СаF₂-Еu, введение в СаF₂-Еu изотопа ³Hе методом термодиффузии. Размеры кристалла: =40 мм, h=8 мм. Условия получения такие же, как и в примере 1. Сцинтиллятор обладает следующими свойствами: эффективность регистрации тепловых нейтронов – 92%; световыход сцинтилляций относительно NaI-Tl – 0,5; эффективный атомный номер Z_эфф=16,5; максимум спектра свечения – 433 нм; длительность сцинтилляций – 800 нс; энергетическое разрешение по линии 662 кэВ изотопа ¹³⁷Cs – 12%. Средний срок службы – 100 лет.

Дополнительным преимуществом предлагаемых сцинтилляторов, описанных в примерах 1-3, являются:

– способность регистрировать не только тепловые нейтроны, но и промежуточные, а также быстрые нейтроны благодаря повышенному сечению взаимодействия промежуточных и быстрых нейтронов с ядрами изотопа ³Hе (десятки и единицы барн соответственно);

– высокая эффективность регистрации -излучения из-за несущественных потерь на обратное рассеяние; последнее обусловлено низким Z_эфф=16,5;

– способность селективно регистрировать нейтроны на -фоне (при малых толщинах кристалла CaF₂-(Eu, ³He) вероятность регистрации гамма-излучения невелика вследствие низкого Z_эфф=16,5).

Примеры 4 и 5

Сцинтилляторы состава ³He – 0,2 ат.%, ЕuF₃ – 0,01 ат.% (пример 4) или 2 ат.% (пример 5), CaF₂ – остальное. Сцинтилляторы были получены так же, как и в примерах 1-3, в две стадии и в тех же режимах.

Сцинтилляторы на основе CaF₂-(Eu, ³He) с содержанием ЕuF₃ 0,01 ат.% или 2 ат.% уступают сцинтилляторам с содержанием ЕuF₃ в пределах 0,4-0,7 ат.% (примеры 1-3) по величине световыхода сцинтилляций в 1,2-1,5 раза.

Формула изобретения

Сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов, включающий фторид кальция, активированный европием, отличающийся тем, что он дополнительно содержит изотоп гелия ³Не при следующем соотношении ингредиентов, ат.%:

Фторид кальция 99,25-99,59

Фторид европия 0,4-0,7

Изотоп гелия ³Не 0,01-0,05

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 01.07.2005

Извещение опубликовано: 20.02.2007 БИ: 05/2007